p Grafeno, a potência bidimensional, oferece durabilidade extrema, condutividade elétrica, e transparência em uma folha de carbono de um átomo de espessura. Apesar de ser anunciado como uma inovação "material maravilhoso, "O grafeno demorou a entrar em produtos e processos comerciais e industriais. p Agora, cientistas desenvolveram um método simples e poderoso para criar resilientes, personalizado, e grafeno de alto desempenho:colocando-o em camadas sobre o vidro comum. Este processo escalonável e barato ajuda a pavimentar o caminho para uma nova classe de dispositivos microeletrônicos e optoeletrônicos - tudo, desde células solares eficientes a telas sensíveis ao toque.

p A colaboração - liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), Stony Brook University (SBU), e os Colleges of Nanoscale Science and Engineering no SUNY Polytechnic Institute - publicaram seus resultados em 12 de fevereiro, 2016, no jornal Relatórios Científicos .

p "Acreditamos que este trabalho pode avançar significativamente no desenvolvimento de tecnologias de grafeno verdadeiramente escalonáveis, "disse o co-autor do estudo, Matthew Eisaman, um físico do Brookhaven Lab e professor da SBU.

p Os cientistas construíram os dispositivos de prova de conceito de grafeno em substratos feitos de vidro de cal sodada - o vidro mais comum encontrado em janelas, garrafas, e muitos outros produtos. Em uma reviravolta inesperada, os átomos de sódio no vidro tiveram um efeito poderoso nas propriedades eletrônicas do grafeno.

p "O sódio dentro do vidro de cal sodada cria alta densidade de elétrons no grafeno, que é essencial para muitos processos e tem sido um desafio para alcançar, "disse a co-autora Nanditha Dissanayake da Voxtel, Inc., mas antes era do Laboratório de Brookhaven. "Na verdade, descobrimos essa solução eficiente e robusta durante a busca por algo um pouco mais complexo. Essas surpresas fazem parte da beleza da ciência."

p Crucialmente, o efeito permaneceu forte mesmo quando os dispositivos foram expostos ao ar por várias semanas - um claro aprimoramento em relação às técnicas concorrentes.

p O trabalho experimental foi feito principalmente no Departamento de Tecnologias de Energia Sustentável de Brookhaven e no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), que é um DOE Office of Science User Facility.

p Os ajustes de grafeno em questão giram em torno de um processo chamado doping, onde as propriedades eletrônicas são otimizadas para uso em dispositivos. Esse ajuste envolve o aumento do número de elétrons ou dos "buracos" livres de elétrons em um material para atingir o equilíbrio perfeito para diferentes aplicações. Para dispositivos do mundo real de sucesso, também é muito importante que o número local de elétrons transferidos para o grafeno não se degrade com o tempo.

p "O processo de dopagem com grafeno normalmente envolve a introdução de produtos químicos externos, o que não só aumenta a complexidade, mas também pode tornar o material mais vulnerável à degradação, "Eisaman disse." Felizmente, encontramos um atalho que superou esses obstáculos. "

p A equipe inicialmente decidiu otimizar uma célula solar contendo grafeno empilhado em um semicondutor de disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS), que, por sua vez, foi empilhado sobre um substrato de vidro sodado-cálcico industrial.

p Os cientistas então conduziram testes preliminares do novo sistema para fornecer uma linha de base para testar os efeitos do doping subsequente. Mas esses testes revelaram algo estranho:o grafeno já estava dopado de maneira ideal, sem a introdução de quaisquer produtos químicos adicionais.

p "Para nossa surpresa, as camadas de grafeno e CIGS já formaram uma boa junção de células solares! ", disse Dissanayake." Depois de muita investigação, e o posterior isolamento de grafeno no vidro, descobrimos que o sódio no substrato criava automaticamente alta densidade de elétrons em nosso grafeno de várias camadas. "

p Identificar o mecanismo pelo qual o sódio atua como um dopante envolveu uma exploração meticulosa do sistema e seu desempenho em diferentes condições, incluindo a fabricação de dispositivos e medição da resistência ao dopagem em uma ampla gama de substratos, com e sem sódio.

p "O desenvolvimento e a caracterização dos dispositivos exigiram uma nanofabricação complexa, transferência delicada do grafeno atomicamente fino para substratos ásperos, caracterização estrutural e eletro-óptica detalhada, e também a capacidade de fazer crescer o semicondutor CIGS, "Dissanayake disse." Felizmente, tínhamos a experiência e a instrumentação de ponta à disposição para enfrentar todos esses desafios, bem como um financiamento generoso. "

p A maior parte do trabalho experimental foi conduzido no Brookhaven Lab usando técnicas desenvolvidas internamente, incluindo litografia avançada. Para as medições de microscopia eletrônica de alta resolução, Os cientistas da equipe do CFN e co-autores do estudo Kim Kisslinger e Lihua Zhang emprestaram seus conhecimentos. Os co-autores Harry Efstathiadis e Daniel Dwyer - ambos do College of Nanoscale Science and Engineering do SUNY Polytechnic Institute - lideraram o esforço para fazer crescer e caracterizar os filmes CIGS de alta qualidade.

p "Agora que demonstramos o conceito básico, queremos nos concentrar a seguir em demonstrar um controle preciso sobre a força de dopagem e o padrão espacial, "Eisaman disse.

p Os cientistas agora precisam sondar mais profundamente os fundamentos do mecanismo de dopagem e estudar mais cuidadosamente a resiliência do material durante a exposição às condições operacionais do mundo real. Os resultados iniciais, Contudo, sugerem que o método do vidro-grafeno é muito mais resistente à degradação do que muitas outras técnicas de dopagem.

p "As aplicações potenciais do grafeno afetam muitas partes da vida diária de todos, de eletrônicos de consumo a tecnologias de energia, "Eisaman disse." É muito cedo para dizer exatamente qual impacto nossos resultados terão, mas este é um passo importante para possivelmente tornar alguns desses aplicativos realmente acessíveis e escalonáveis. "

p Por exemplo, a alta condutividade e transparência do grafeno tornam-no um candidato muito promissor como transparente, eletrodo condutor para substituir o óxido de índio e estanho (ITO) relativamente frágil e caro em aplicações como células solares, diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs), monitores de tela plana, e telas sensíveis ao toque. Para substituir o ITO, métodos escaláveis ​​e de baixo custo devem ser desenvolvidos para controlar a resistência do grafeno ao fluxo de corrente elétrica por meio do controle da força de dopagem. Este novo sistema de vidro-grafeno pode enfrentar esse desafio, dizem os pesquisadores.